Nuove scoperte su nematici attivi e comportamento cellulare

Le cellule sono le parti di base degli esseri viventi e arrivano in varie forme e dimensioni. Ogni forma ha compiti e comportamenti specifici. Scoprire le regole dietro queste forme non è facile. In questo studio, creiamo nuovi mattoni che imitano le strutture biologiche. Lo facciamo avvolgendo gocce ellissoidali piene di un cristallo liquido speciale in un gel a base di proteine che funge da struttura interna della cellula. Questo ci dà strutture con un nucleo e un guscio.

Usando la texture e la forma uniche del cristallo liquido, possiamo controllare come si comporta il materiale attivo. Abbiamo trovato nuovi stati in cui i difetti in questo materiale cambiano i loro movimenti nel tempo, passando da rotazione a movimenti in linea retta. Le nostre simulazioni mostrano che il movimento di questo materiale è fortemente influenzato dalla forma della goccia e dalle forze esterne, il che ci aiuta a capire meglio i processi biologici e potrebbe portare a nuovi design per piccole macchine ispirate dalla natura.

#Contesto

I Nematici Attivi sono materiali composti da unità allungate e autogestite. Questi materiali ci aiutano a capire diverse azioni biologiche, incluso come le fibre cambiano durante lo sviluppo e come i gruppi di batteri si muovono insieme. Utilizzando il framework sviluppato per i cristalli liquidi, possiamo applicarlo ai sistemi biologici.

I difetti nematici sono punti in cui l'ordine abituale è interrotto. Questi difetti sono importanti per il funzionamento delle cellule sia individualmente che in gruppo. Tuttavia, non sappiamo ancora esattamente come questi difetti interagiscono con l'ambiente circostante per creare risultati specifici. Negli esperimenti di laboratorio, i nematici attivi offrono un buon modello per studiare queste interazioni. Forze come attrito, texture superficiale e confinamento possono essere usate per controllare i movimenti dei difetti e i modelli di flusso nel materiale, offrendo nuove intuizioni per progettare macchine ispirate ai sistemi biologici. Tuttavia, lo studio degli effetti delle superfici curve sui difetti non è stato molto fatto a causa delle difficoltà nel creare esperimenti controllati.

Negli studi precedenti, i ricercatori hanno esaminato come una superficie curva costante influenzasse un tipo di nematico attivo fatto di Microtubuli e motori kinesina. Questi motori aiutano a muovere gruppi di fibre, creando un campo bidimensionale. Quando questi materiali sono stati posti su una superficie sferica, i difetti si comportavano in modo caotico. Tuttavia, limitando il nematico attivo a una superficie sferica, i ricercatori sono stati in grado di creare uno stato dinamico più ordinato con difetti che si muovono in modo prevedibile. Gli studi prevedono che sotto alta attività, possano apparire nuovi modelli di flusso, come vortici e bande rotanti.

Quando si introduce un gradiente di curvatura, possono verificarsi movimenti ancora più complessi. Su superfici con curvatura irregolare, i difetti tendono a muoversi verso aree con curvatura simile o possono anche separarsi in certe condizioni. Questi comportamenti possono cambiare notevolmente come si muove il sistema attivo. Ad esempio, con una goccia allungata, la curvatura può far sì che i difetti si raccolgano ai poli e creino movimenti rotatori. Esperimenti precedenti su gocce toroidi hanno mostrato questi effetti, ma la dimensione delle gocce era più grande della distanza tipica tra i difetti. Di conseguenza, il gran numero di difetti creava movimenti caotici e non si osservavano modelli ordinati.

In questo studio, usiamo le proprietà dei cristalli liquidi per creare gocce ellissoidali della giusta dimensione per studiare i nematici attivi. Inserendo queste gocce in un bagno attivo di microtubuli e motori kinesina, possiamo stabilizzare uno strato attivo sulla superficie della goccia. In questo setup, osserviamo due nuovi stati dinamici che hanno movimenti distinti controllati dall'oscillazione di coppie di difetti topologici.

#Costruire Nematici Attivi

#Creazione di Gocce Ellissoidali Smectiche

I nostri nematici attivi sono fatti di gocce allungate di un cristallo liquido chiamato octil-cianobifenile (8CB) rivestite di fasci di microtubuli mossi da motori kinesina. Per creare queste gocce, usiamo un processo speciale che fa sì che le emulsioni doppie di acqua e 8CB si rompano quando riscaldate, formando forme ellissoidali.

Le gocce devono essere formate quando l'8CB è in una fase specifica. Quando la temperatura si abbassa, si verifica una transizione e le emulsioni doppie si rompono in gocce ellissoidali. Normalmente, le gocce formate in questo modo sarebbero sferiche, ma il modo in cui il liquido è strutturato prima di formare la goccia fa sì che assumano questa forma insolita.

Le gocce ellissoidali risultanti non sono stabili a lungo e si trasformeranno in sfere dopo circa 48 ore, ma rimangono stabili per i nostri esperimenti. Per il nostro studio, ci concentriamo su gocce di dimensioni specifiche, che ci permettono di osservare le proprietà del nematico attivo. Sotto diversi tipi di illuminazione, queste gocce rivelano una struttura con certe linee che mostrano come il liquido è organizzato, indicando dove cambia la direzione del flusso.

#Aggiunta di Materiale Attivo alle Gocce

Per creare il nematico attivo, mescoliamo le nostre gocce ellissoidali in un gel attivo fatto di microtubuli e motori kinesina. Questo gel aiuta a legare e muovere i microtubuli, e a differenza dei metodi passati, il gel attivo circonda le gocce invece di essere contenuto al loro interno. I microtubuli si radunano gradualmente all'interfaccia delle gocce, formando lo strato attivo.

Quando il gel attivo viene mescolato in un tubo capillare di vetro, ci permette di osservare come si comportano le gocce. Viene fornita una fonte costante di energia per mantenere i motori in funzione, consentendo un movimento continuo. Dopo alcuni minuti di mescolamento, possiamo vedere i microtubuli formarsi attorno alla superficie delle gocce.

Col passare del tempo, il materiale attivo si accumula sulla superficie, portando a texture e flussi organizzati. Appaiono due stati principali: lo stato quadrupolare e lo stato dipolare finale, ognuno con modelli e flussi distintivi.

#Stati Dinamici

#Stato Quadrupolare

Dopo le prime due ore dell'esperimento, il materiale attivo si è accumulato abbastanza da creare uno stato dinamico organizzato. Il sistema mostra chiari cambiamenti tra modelli di movimento. I difetti in questo stato pendolano tra un modello di rotazione e uno in cui si muovono lungo la superficie.

Nello stato rotazionale, coppie di difetti occupano i poli della goccia mentre bande di altri difetti appaiono attorno all'equatore. I difetti ai poli si muovono in percorsi circolari rimanendo separati grazie alle forze elastiche che agiscono su di essi. Il modello visto si allinea con la struttura del cristallo liquido, mostrando una simmetria a specchio.

Tuttavia, poiché questi nematici attivi sono soggetti a instabilità, possono portare a cambiamenti nel comportamento dei difetti. Durante questa fase, i difetti possono muoversi da polo a polo, creando nuovi modelli di flusso. Le dinamiche si ripetono nel tempo, mostrando comportamenti periodici mentre il materiale attivo continua ad accumularsi.

#Stato Dipolare

Man mano che l'esperimento procede, la quantità di materiale attivo sulla goccia si stabilizza, e la dinamica cambia in uno stato dipolare finale. In questo stato, solo due coppie di difetti si muovono, e il loro comportamento è meno caotico rispetto a prima. La differenza chiave in questo stato è come i difetti ai poli ora ruotano in direzioni opposte, creando un modello dipolare.

Mentre i difetti passano dalla rotazione a muoversi dritti, la configurazione mantiene una struttura più organizzata senza la necessità di una cintura equatoriale di difetti. Questo stato finale rimane stabile grazie all'aumento della rigidità del materiale attivo. I difetti si raccolgono principalmente ai poli, confermando le previsioni precedenti su dove i difetti sono probabili da trovare in base alla forma della goccia.

#Comprendere i Movimenti dei Difetti

#Accoppiamento di Curvatura e Forze

Lo stato finale osservato negli esperimenti è supportato da simulazioni che esplorano come la curvatura influisce sui movimenti dei difetti. In assenza di forze attive, i difetti formano coppie ai poli per minimizzare l'energia. Quando l'attività aumenta, i difetti iniziano a comportarsi in modo caotico, muovendosi verso i poli e mostrando modelli di flusso organizzati.

Le simulazioni rivelano ulteriormente che i difetti preferiscono rimanere vicino ad aree dove la curvatura è più alta. Man mano che i difetti si muovono, cambiano direzione ma mantengono un senso di rotazione e possono portare a diversi tipi di movimenti in base all'interazione con la superficie della goccia.

#Ruolo dell'Attrito

La presenza di attrito gioca anche un ruolo significativo in come si comportano i difetti. Aggiungendo una forza di smorzamento nelle simulazioni, possiamo vedere come l'attrito può stabilizzare il materiale e aiutare a prevenire modelli di flusso caotici. In scenari in cui l'attrito è irregolare, vediamo la formazione di corsie di flusso organizzate, indicando come le forze di attrito possono guidare il comportamento dei nematici attivi.

#Conclusione

Questo studio mostra che usare nematici attivi ellissoidali può aiutarci a comprendere processi biologici complessi. L'interazione tra la dinamica dei difetti e la curvatura, insieme agli effetti dell'attrito, porta a comportamenti interessanti in questi sistemi. Controllando questi fattori, possiamo creare modelli dinamici organizzati che somigliano a quelli visti nei sistemi biologici, potenzialmente aiutando nella progettazione di piccole macchine che imitano la natura.

Continuando a esplorare questi materiali, possiamo scoprire intuizioni più profonde su come lavorano le cellule e come sfruttare questi principi in applicazioni pratiche. I risultati hanno il potenziale di ispirare nuovi metodi per creare materiali avanzati e tecnologie basate sui principi dei sistemi viventi.